视频监控技术在水利工程运行管理中的应用

许 建

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 840000）

1 视频监控系统架构

视频监控系统主要用于对重要区域或远程地点的监视和控制，通过摄像头等视频采集设备在监控点实时采集视频文件并及时地传输给监控中心，实时动态地报告监测点情况，及时发现问题并进行处理。

视频监控系统主要由视频数据采集、编码、传输和分析处理4部分组成。视频数据采集由安装在监控现场如闸站及水库库区等的高分辨率摄像机完成，主要完成模拟视频信号到数字视频信号的转换；视频编码主要通过消除视频数据的冗余，来降低存储和传送视频信息所需的比特率，目前大部分的视频采集设备都具有压缩编码的功能；视频传输根据传输距离和图像质量的要求可选用各种不同的线缆、接口设备，负责将视频和数据信号传输到所需的地点；视频分析主要利用图像分析和识别技术对采集来的视频图像进行处理，得到一些能够提高决策准确性的信息。系统原理框如图1所示。

2 视频监控系统技术

2.1 视频采集

图1 系统原理框如图

根据监控点的具体情况，在各监控点安装相应的监控摄像机固定或活动云台、定焦或变焦和软件系统。在每个监控点可以安装1个或数个监控摄像机，外围再各配备1台云台、防护罩及云台控制器。每个视频采集点各匹配1台视频编解码器。在视频采集系统中，最重要的是帧率达到一定的值，才能满足实时监控的需要。研究表明当帧率达到25fps 时，画面是比较连续的，符合人眼的视觉需要。

2.2 视频压缩

从视频采集系统获得的原始视频数据量很大，所以要先对图像信息进行压缩。由于视频序列的帧内及帧与帧之间包含很大的统计和主观冗余度，通过挖掘这些冗余信息，降低存储和传送视频信息所需的比特率，即视频压缩或编码。经压缩处理后的视频质量高低是决定多媒体服务质量的关键因素。

第1代压缩编码压缩思想基于数据统计，因此只能去除数据冗余，属于低层压缩编码的范畴。随着视频编码相关及新兴学科的迅速发展，新一代数据压缩技术不断诞生并日益成熟，其编码思想由原来的基于像素和像素块的编码方式转变为基于内容的编码方式，通过去除内容冗余来实现数据压缩。

2.3 视频传输

在整个视频监控系统中，选择何种介质和设备传送图像及其它控制信号将直接关系到监控系统的质量与可靠性。目前，在监控系统中用来传输图像信号的介质主要有同轴电缆、双绞线和光纤。同轴电缆具有价格较便宜，铺设较方便的优点，但是信号在同轴电缆内传输时受到的衰减与传输距离和信号本身的频率有关。一般来讲，信号频率越高，衰减越大，传输图像的质量图像信号会下降，仅应用在小范围的监控系统中。双绞线具有抗干扰能力强、传输距离远、布线容易、价格低廉等许多优点。但是当传输距离比较远时，信号的频率不能太高，否则信号仍存在很大的衰减。光纤在监控领域中的应用主要解决传输距离和环境干扰这2个问题。因为光纤具有传输带宽较宽，容量大，不受电磁干扰，不受外界环境影响，保密性强，以及传输质量好等优点，如果需要传输数公里甚至上百公里距离的图像信号，或者对一些超强干扰场所，为了不受环境干扰影响，需要采用光纤传输方式。

在视频传输过程中，要获得有效的、高质量的传输视频流，除了传输介质外，需要多种技术的支持，其中包括应用层质量控制、媒体同步等技术。

应用层质量控制技术的目的是为了保证视频在传输过程中的质量，主要包括拥塞和差错控制等，由于 Internet 没有提供质量保证服务，因此，需要通过应用层的机制来实现质量的控制。对于视频流拥塞控制的主要方法是速率控制。拥塞控制的目的是减少包的丢失，但是无法避免包的丢失。在这种情况下需要一定的差错控制机制，差错控制机制包括：1）FEC，FEC 的目的是通过增加冗余信息，使得包丢失后能够通过其他包恢复正确的信息；2）延迟约束的重传，仅有当重传的时间小于正常的播放时间时，重传才是有价值的；3）错误弹性编码，在编码中通过适当的控制使得发生数据丢失后能够最大限度的减少对质量的影响；4）错误的取消，是指当错误已经发生后，接受端通过一定的方法尽量削弱对人的视觉影响。

在某些流媒体应用中，视频流和其它形式的媒体流需要以同步的方式集成到一起，通常有流内、流间和对象间等3种同步控制。 媒体同步机制的核心是在媒体内或者媒体间说明时间关系。考虑到Internet 传输的延迟随机性，同步错误是不可避免的。因此，对接受方的错误进行补偿是必须的。

2.4 视频分析处理

目前视频监控系统通常是将摄像头的输出结果记录下来，需要人为观察和分析。在实际应用中需要对视频数据进行实时分析，获得决策信息，比如异常目标的检测和跟踪，目标的识别和分类，以及对可疑状况的诊断和报警等。

视频分析主要是应用图像识别技术对视频图像进行分析处理，关键技术或难点在于实现系统能在一种开放环境中，针对移动目标实时地运行，这些目标通过静止摄像机可能会产生大小、角度及光照效果不同的图像。这就要求系统采用适当的图像预处理技术，以保证图像特征有效地提取或模板的生成。图像识别技术基本上分为统计方法和结构分析2类，前者的特点是稳定，但很少利用图像本身的结构关系；后者主要是分析图像的结构，充分发挥了图像的特点，但容易受图像生成过程中噪声干扰的影响。

3 视频监控系统在水利信息化中的应用

随着多媒体视频技术的发展，视频监控系统已在水利行业中有着广泛的应用，在水利信息化、现代化中起着至关重要的作用。

3.1 在防洪减灾方面的应用

由于我国在洪水防范，河堤安全监控等方面的信息化水平不高，长期以来采用的一般的人工监测方式，不仅工作条件非常恶劣，工作量巨大，而且在汛期江水位猛涨的情况下，适时地监测与分析计算很难做到。 靠群众性的抗洪抢险来维护汛期的安全，防汛投入很大但效果却不好，因此实现水库、河流、堤防监测的自动化是必然的要求和趋势。近年来，国家提出了建设“数字水利”的目标 ，对大型水库和河堤进行远程视频实时监控系统建设，防汛抗洪工作逐步从被动抗洪向主动防汛转变。

在河流、水库、船闸的重要位置安装摄像头，实时监控水位，并对获得的数据进行科学分析，对水位，堤防的安全状态进行评价和预报。实施防汛远程视频实时监控系统，可及时对可能或正在发生的汛情、险情、灾情进行动态监视，随时了解现场情况，以便采取相应的预防和补救措施确保水库安全运行，进一步提高防汛抗洪决策的有效性和可靠性，对领导决策和减少洪水灾害，缓解城市的防洪压力，保障人民生命财产的安全具有重要作用。

3.2 在水文分析方面的应用

水文是水资源开发利用管理与保护、防治水害，以及工程建设规划、设计、施工、管理、调度的依据。水文站是收集水信息的基本站点，通过水文站对我国江、河、湖、库的地表水和地下水的水量及水质等进行观测，实时收集水文水资源数据，对水资源开发、利用、管理、保护，实现水资源的合理调配，达到提高水资源的利用率和改善水生态的目标。同时，还可为防汛防潮指挥调度提供了及时、准确的决策依据。长期以来，都是靠手测、目测收集水文信息，直接影响到测报的精度和成果质量。通过建设水文站实时监控系统，利用数字视频监控系统采集数据、图像、视频等基础信息，利用图像分析与处理技术对水文进行自动测报，不但可提高精确度，还可以告别传统的工作方式。

3.3 在水利工程建设和管理方面的应用

视频监控系统是在水利工程建设和管理方面也起着重要的作用，主要采集工程现场一些重要出入口等重点区域的视频监控图像，使工程现场的值班人员能够实时地监控到整个区域的现场情况，并能够对视频图像进行目标跟踪、控制和实时记录，管理中心可通过网络实现远程监控与控制，并能对进入工地的可疑人员进行跟踪、报警。

另外，还可以对水库水面实时远端监控，如监控水面上是否有漂浮物，如白色垃圾、漂流物、原油，也可以对水库水岸实时远端监控，如监控岸上的物体（如人、兽）是否进入危险区（如闸门口、大堤），是否有可疑的情况（如有人想要破坏水库），并根据情况对现场运动目标进行跟踪分析。

4 结语

随着多媒体处理和网络技术的快速发展，水利信息化与信息技术的引入和网络的建设息息相关，视频监控系统将更广泛应用于水利工程建设事业中，成为水利工程综合性管理系统不可缺少的重要组成部分，以社会全方位的支持和配合为基础，推动水利信息化建设的持续、快速发展。

[1] 魏铮.视频采集系统软件设计[J].计算机工程与应用，2003（31）: 136-139.

[2] 黄锋，乔永新，张莉.计算机监控系统在中官塘北泵闸管理中的应用[J].上海水务，2009（25）: 46-48.

[3] 李竞，刘永谦.远程视频监控系统在建设工程安全监管中的应用[J].安全，2008（8）: 16-19.